2.3　能量的转换过程

2.3.1　概述

能量转换是能量最重要的属性，也是能量利用中的最重要的环节。人们通常所说的能量转换是指能量形态上的转换，如燃烧的化学能通过燃烧转换成热能，热能通过热机再转换成机械能等。然而广义地说，能量转换还应当包括以下两项内容：

①能量在空间上的转移及能量的传输；

②能量在时间上的转移及能量的储存。

任何能量转换过程都必须遵守自然界的普遍规律——能量守恒定律，即

输入能量-输出能力=储存能量的变化

不同的能量形态可以互相转换，而显然，任何能量转换过程都需要一定的转换条件，并在一定的设备或系统中实现。表2-3给出了能量转换过程及实现能量转换所需的设备或系统。

2.3.2　化学能转换为热能

燃料燃烧是化学能转换为热能的最主要方式。能在空气中燃烧的物质称为可燃物，但不能把所有的可燃物都称为燃料（如米和砂糖之类的食品）。所谓燃料，就是在空气中容易燃烧并释放出大量热能的气体、液体或固体物质，是在经济上值得利用其发热量的物质的总称。燃料通常按形态分为固体燃料、液体燃料和气体燃料。天然的固体燃料有煤炭和木材；人工的固体燃料有焦炭、型煤、木炭等。其中煤炭应用最为普遍，是我国最基本的能源。天然的液体燃料有石油（原油）；人工的液体燃料有汽油、煤油、柴油、重油等。天然的气体燃料有天然气，人工的气体燃料则有焦炉煤气、高炉煤气、水煤气和液化石油气等。通过燃料燃烧将化学能转换为热能的装置称为燃烧设备。燃烧设备主要有锅炉、工业窑炉等。

2.3.3　热能转换为机械能

将热能转换为机械能是目前获得机械能的最主要的方式。热能转换成机械能的装置称为热机。因为热机能为各种机械提供动力，故通常又将其称为动力机械。应用最广泛的热机有内燃机、蒸汽轮机、燃气轮机等三大类。蒸汽轮机，简称汽轮机，是将蒸汽的热能转换为机械功的热机。汽轮机单机功率大、效率高、运行平稳，在现代火力发电厂和核电站中都用它驱动发电机。汽轮发电机组所发的电量占总发电量的80%以上。此外，汽轮机还用来驱动大型鼓风机、水泵和气体压缩机，也用作舰船的动力。燃气轮机和蒸汽轮机最大的不同是，它不是以水蒸气作工质而是以气体作工质。燃料燃烧时所产生的高温气体直接推动燃气轮机的叶轮对外做功，因此以燃气轮机作为热机的火力发电厂不需要锅炉。它包括三个主要部件：压气机、燃烧室和燃气轮机。

燃气轮机具有以下优点：

①质量轻、体积小、投资省。

②启动快、操作方便。

③水、电、润滑油消耗少，只需少量的冷却水或不用水，因此可以在缺水的地区运行；辅助设备用电少，润滑油消耗少，通常只占燃料费的1%左右，而汽轮机要占6%左右。

内燃机包括汽油机和柴油机，是应用最广泛的热机。大多数内燃机是往复式，有气缸和活塞。内燃机有很多分类方法，但常用的是根据点火顺序分类或根据气缸排列方式分类。按点火或着火顺序可将内燃机分成四冲程发动机和二冲程发动机。

2.3.4　机械能转换为电能

将机械能转换为电能的主要设备为发电机。当下主要的发电设备主要有火力发电机组、风力发电机组以及水轮发电机组。本节着重介绍风力发电，它是将机械能直接转换为电能。把风的动能转换成机械动能，再把机械能转换为电力动能，这就是风力发电。风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。依据目前的风车技术，大约每秒三米的微风速度（微风的程度）便可以开始发电。风力发电正在世界上形成一股热潮，因为风力发电不需要使用燃料，也不会产生辐射或空气污染。风能够产生三种力以驱动发电机工作，分别为轴向力（即空气牵引力，气流接触到物体并在流动方向上产生的力）、径向力（即空气提升力，使物体具有移动的趋势的、垂直于气流方向的压力和剪切力的分量，狭长的叶片具有较大的提升力）和切向力，用于发电的主要是前两种力，水平轴封机使用轴向力，竖直轴风机使用径向力。

2.3.5　光能转换为电能

将光能转化为电能的主要方式是太阳能光利用。太阳是一个巨大、久远、无尽的能源。尽管太阳辐射到地球大气层的能量仅为其总辐射能量（约为3.75×10²⁶W）的二十二亿分之一，但已高达1.73×10¹⁷W，换句话说，太阳每秒钟辐射到地球上的能量就相当于500万吨煤燃烧的能量。地球上的风能、水能、海洋温差能、波浪能和生物质能以及部分潮汐能都来源于太阳；地球上的化石燃料从根本上说也是远古以来储存下来的太阳能。太阳能既是一次能源，又是可再生能源。它资源丰富，既可免费使用，又无需运输，对环境无任何污染。但太阳能也有两个主要缺点：一是能流密度低；二是其强度受各种因素的影响，不能维持常量。这两大缺点大大限制了太阳能的有效利用。太阳能光利用主要是太阳能光伏发电和太阳能制氢。太阳能光利用最成功的是用光-电转换原理制成的太阳能电池（又称光电池）。太阳能电池1954年诞生于美国贝尔实验室，随后1958年被用作“先锋1号”人造卫星的电源上了天。太阳能电池是利用半导体内部的光电效应，当太阳光照射到一种称为“p-n结”的半导体上时，波长极短的光很容易被半导体内部吸收，并去碰撞硅原子中的“价电子”，使“价电子”获得能量变成自由电子而逸出晶格，从而产生电子流动。

常用太阳能电池按其材料可以分为：晶体硅电池、硫化镉电池、硫化锑电池、砷化镓电池、非晶硅电池、硒铟铜电池、叠层串联电池等。太阳能电池重量轻，无活动部件，使用安全。单位质量输出功率大，即可作小型电源，又可组合成大型电站。目前其应用已从航天领域走向各行各业，走向千家万户，太阳能汽车、太阳能游艇、太阳能自行车、太阳能飞机都相继问世，然而对人类最有吸引力的是所谓太空太阳站。太空太阳电站的建立无疑将彻底改善世界的能源状况，人类都期待这一天的到来。

2.3.6　化学能转换为电能

将化学能转化为电能的主要装置是化学电源，即电池。自1800年意大利科学家Volta发明了伏打电池算起，化学电源已有200余年的历史。化学电源能量转化率高，方便并安全可靠，在不同领域应用广泛。按工作性质分类，化学电源主要有四种。

①一次电池（原电池）　电池反应本身不可逆，电池放电后不能充电再使用的电池。一次电池主要有锌-锰电池、锌-汞电池、锌-银电池、锌-空气电池等。

②二次电池（蓄电池）　可重复充放电循环使用的电池，充放电次数可达数十次到上千次。二次电池主要有铅酸蓄电池、镉-镍蓄电池和锂离子电池等。二次电池能量高，用于大功率放电的人造卫星、电动汽车和应急电器等。

③燃料电池（连续电池）　活性物质可从电池外部连续不断地输入电池，连续放电。主要有氢-氧燃料电池、肼-空气电池等。燃料电池适合于长时间连续工作的环境，已成功用于飞船和汽车。

④储备电池（激活电池）　电机的正负极和电解质在储存期不直接接触，使用前采取激活手段，电池便进入放电状态。如：锌-银电池、镁-银电池、铅-二氧化铅电池等。储备电池用于导弹电源、心脏起搏器电源。

2.3.7　电能转换为化学能

将电能转换为化学能主要发生在二次电池的充电中。这个过程正好与电池使用相反，通过将电能源源不断地导入电池转化为化学能，从而储存起来。

以锂离子电池为例（示意图见图2-6）：目前已产业化的锂离子电池的负极材料为碳材料，正极为LiCoO₂材料，电解质是LiPF₆（LiClO₄）和有机试剂。锂离子电池的电化学表达式：

（-）Cu|LiPF₆-EC+DEC|LiCoO₂（+）

正极反应：　　　　

LiCoO₂Li_1-xCoO₂+xLi⁺+xe^-

负极反应：

nC+xLi⁺+xe^-Li_xC_n

电池反应：

LiCoO₂+nCLi_1-xCoO₂+Li_xC_n